OBSERVATOIRE DE LA
RAPPORT #6 – Décembre 2020
L’ALLIANCE EUROPÉENNE DES BATTERIES : ENJEUX ET PERSPECTIVES EUROPÉENNES
Clément BONNET Philippe COPINSCHI Manfred HAFNER Pierre LABOUÉ
AVEC LE SOUTIEN DE
1
À PROPOS DE L’OBSERVATOIRE ... 5
À PROPOS DES AUTEURS DU RAPPORT ... 6
REMERCIEMENTS ... 7
ÉTAT DES LIEUX ET PERSPECTIVES DU MARCHÉ MONDIAL DES BATTERIES ... 8
À RETENIR ... 8
LES ENJEUX STRATÉGIQUES DU MARCHÉ DES BATTERIES ... 9
MISE AU POINT : LE STOCKAGE STATIONNAIRE ET LE STOCKAGE EMBARQUÉ ... 9
L’ESSOR DE L’ÉLECTROMOBILITÉ, VÉRITABLE MOTEUR DU MARCHÉ ... 10
Le boom des voitures électriques, un changement de paradigme industriel ... 10
Contribution plus modeste des autres modes de transport ... 11
Une croissance portée par les politiques publiques ... 13
La demande en véhicules électriques à l’horizon 2030 ... 16
LE STOCKAGE STATIONNAIRE, UN MARCHÉ ENCORE ÉMERGENT ... 18
Un développement soutenu par les solutions des batteries ... 18
Des besoins tirés par l’intégration des EnR et le remplacement des centrales de pointe .. 19
Les exemples de projets déployés ou en cours de déploiement ... 20
PERSPECTIVES DU MARCHÉ MONDIAL DES BATTERIES À L’HORIZON 2030 ... 21
Une demande en plein essor tirée par l’électromobilité ... 21
Une demande mondiale largement concentrée en Chine ... 22
LES ENJEUX DE LA TECHNOLOGIE DES BATTERIES ... 23
MISE AU POINT : COMPRENDRE LA TECHNOLOGIE DES BATTERIES ... 23
Les 3 principales familles technologiques de batteries : plomb, nickel et lithium ... 23
Les 3 blocs de base d’une batterie : le pack, le module et la cellule ... 24
Le principe de fonctionnement général d’une batterie : anode, cathode et électrolyte .... 25
Une sélection de 8 grands critères de performance d’une batterie ... 26
LES TECHNOLOGIES LITHIUM-ION EN COMPÉTITION ... 27
Lithium-ion : la famille de technologies dominante du 21e siècle ? ... 27
Succès de la technologie NMC, tirée par le secteur automobile ... 28
Large adoption de la technologie LFP pour les transports publics en Chine ... 29
La technologie NCA, une solution de niche portée par des constructeurs comme Tesla ... 29
FOCUS : LES PISTES DE RECHERCHE POUR LA BATTERIE DU FUTUR ... 30
2
Les axes de développement stratégiques de l’industrie des batteries ... 30
Les futures générations de batteries identifiées par la Commission européenne ... 31
Les dépôts de brevets, un indicateur avancé des technologies en compétition... 32
Des technologies de rupture en développement ... 34
UNE FILIÈRE INDUSTRIELLE DOMINÉE PAR LES ACTEURS ASIATIQUES ... 36
MISE AU POINT : COMPRENDRE LA FILIÈRE DES BATTERIES ... 36
La filière en 6 étapes ... 36
Les batteries, au cœur de la géopolitique des minerais ... 37
La réutilisation et le recyclage : une étape stratégique de la chaîne de valeur ... 39
L’ASIE, PILIER DE L’INDUSTRIE MONDIALE DES BATTERIES ... 41
Des politiques publiques ambitieuses et de long-terme ... 41
R&D : le Japon et la Corée du Sud à la pointe de l’innovation ... 44
Matières premières et transformées : la Chine en position de force... 45
Composants, cellules & batteries : la Chine, déjà l’usine du monde ... 47
FOCUS : LES PROJETS DE DÉVELOPPEMENT DE 5 LEADERS MONDIAUX ... 48
CATL ... 48
BYD ... 49
LG Chem ... 50
Panasonic ... 51
Un leader non-asiatique : Tesla ... 52
CARTE : LA PRODUCTION DE MINERAIS STRATÉGIQUES POUR LA FABRICATION DE BATTERIES ... 54
CARTE : NATIONALITÉ DES PRINCIPALES COMPAGNIES MINIÈRES ACTIVES DANS LES PAYS PRODUCTEURS DE MINERAIS POUR LES BATTERIES ... 55
CARTE : USINES DE PRODUCTION DE BATTERIES DANS LE MONDE ... 56
L’ALLIANCE EUROPÉENNE DES BATTERIES ... 57
À RETENIR ... 57
LE CADRE INSTITUTIONNEL DE L’ALLIANCE ... 58
MISE AU POINT : LES RAISONS D’ÊTRE DE LA MOBILISATION DE L’UE ... 58
Des évolutions structurelles des secteurs de l’énergie et du transport en Europe ... 58
La prise de conscience d’une dépendance stratégique ... 59
L’ALLIANCE EUROPÉENNE DES BATTERIES (AEB) ... 61
La genèse de l’AEB ... 61
Les ambitions de l’AEB ... 62
3
Les spécificités de l’approche européenne ... 63
Un premier bilan réussi ... 64
LES INSTRUMENTS À DISPOSITION ... 65
Le rôle central de la Banque européenne d’investissement (BEI) ... 65
Le soutien du budget européen aux activités de R&D ... 66
Les Projets importants d’intérêt européen commun (PIIEC) ... 67
FOCUS : LES DÉFIS DE L’AEB À COURT ET MOYEN TERME ... 69
Assurer la pérennité de la demande ... 69
L’enjeu central du recyclage ... 70
Développer les compétences et le savoir-faire ... 71
Affermir la souveraineté minière de l’Europe ... 72
La nécessité d’une nouvelle directive Batterie ambitieuse ... 73
LES MÉGA-USINES EN COMPÉTITION POUR CONQUÉRIR L’EUROPE ... 74
VUE D’ENSEMBLE DES PRINCIPALES MÉGA-USINES EN PROJET EN EUROPE ... 74
AUTOMOTIVE CELLS COMPANY (ACC), LE PORTE-ÉTENDARD DU PIIEC ... 77
Une coentreprise entre PSA et Total ... 77
D’importants efforts de R&D en faveur de nouvelles batteries ... 77
Un vaste plan d’investissement industriel étalé jusqu’à 2030 ... 78
NORTHVOLT, L’AMBITION D’UN TESLA EUROPÉEN ... 79
Une jeune-pousse suédoise ... 79
Des investissements massifs ... 79
Un pilote industriel et deux projets d’usine de recyclage des batteries ... 80
FOCUS : LA RATIONALITÉ DES INVESTISSEMENTS ÉTRANGERS DANS DES MÉGA-USINES DE L’UE ... 82
L’effet taille de marché comme force d’attraction ... 82
Réduire les coûts de transport et accéder à une énergie décarbonée ... 82
Disposer des compétences technologiques européennes ... 83
Profiter d’un cadre réglementaire stable et prévisible... 83
LES STRATÉGIES INDUSTRIELLES DES ACTEURS DU PIIEC ... 84
MISE AU POINT : LES ACTEURS INDUSTRIELS EUROPÉENS POSITIONNÉS SUR LE PIIEC ... 84
VUE D’ENSEMBLE DES PROJETS DE 10 ACTEURS EUROPÉENS ÉLIGIBLES AU PIIEC ... 86
Automotive Cells Company (ACC) ... 86
BASF ... 87
BMW ... 88
4
FAAM ... 89
Fortum ... 90
Keliber Oy ... 91
SEEL ... 91
Terrafame ... 92
Umicore ... 92
VARTA ... 93
FOCUS : LES PARTENARIATS INTERNATIONAUX D’ACTEURS EUROPÉENS DES BATTERIES ... 94
LES SOURCES ... 96
LES INSTITUTIONS PUBLIQUES ... 96
LES SOURCES D’INFORMATION PRIVÉES ... 98
BIBLIOGRAPHIE ... 100
5 À PROPOS DE L’OBSERVATOIRE
L’Observatoire de la sécurité des flux et des matières énergétiques (OSFME) est coordonné par l’Institut de relations internationales et stratégiques (IRIS), en consortium avec Enerdata et Cassini, dans le cadre d’un contrat avec la Direction générale des relations internationales et de la stratégie (DGRIS) du ministère des Armées.
Au travers de rapports d’études trimestriels, de séminaires et de travaux cartographiques, l’objectif principal de cet observatoire consiste à analyser les stratégies énergétiques de trois acteurs déterminants : la Chine, les États-Unis et la Russie.
Plusieurs autres rapports de l’Observatoire de la sécurité des flux et des matières énergétiques (OSFME) sont déjà accessibles en ligne sur :
https://www.iris-france.org/observatoires/observatoire-securite-flux-energie/
Rapport #1 -La Belt and Road Initiative et la stratégie de sécurisation des approvisionnements énergétiques chinois en Afrique
Rapport #2 -Les investissements chinois, russes et américains dans le secteur énergétique européen
Rapport #3 -Les nouvelles configurations des marchés du GNL et leurs implications géopolitiques
Rapport #4 -La compétition internationale pour les technologies bas carbone : vers une nouvelle géopolitique de l'énergie ?
Rapport #5 -Les stratégies nucléaires civiles de la Chine, des États-Unis et de la Russie
6 À PROPOS DES AUTEURS DU RAPPORT
Clément Bonnet
Clément Bonnet est maître de conférences en économie à l’Université de Montpellier au sein du laboratoire ART-Dev. Il est également chercheur associé au laboratoire EconomiX de l’Université Paris Nanterre ainsi qu’à la Chaire Économie du Climat. Dans le cadre de son doctorat soutenu en 2016, il a mené des recherches sur la place de la technologie dans les politiques de transition énergétique. Ses travaux de post-doctorat à l’IFPEN l’ont conduit à travailler sur la nouvelle géographie de la propriété́ intellectuelle des technologies bas- carbone.
Philippe Copinschi
Philippe Copinschi est un expert des questions énergétiques internationales et africaines, sur lesquelles il travaille depuis 20 ans. Il a notamment été consulté par plusieurs organisations internationales, dont l’Agence Internationale de l’Energie (AIE), et des think tanks réputés dont Chatham House (Londres), le CERI (Paris), le Policy Center for the New South (ex-OPC Policy Center, Rabat). Il dispense plusieurs cours sur la géopolitique de l’énergie et sur l’Afrique à la Paris School of International Affairs (PSIA) et à l’École des Affaires publiques de Sciences Po Paris, ainsi que sur le campus de Sciences Po Reims.
Manfred Hafner
Manfred Hafner est professeur d'études internationales sur l'énergie à la Johns Hopkins University School of Advanced International Studies (SAIS-Europe) et à l'École des affaires internationales de Sciences Po Paris (PSIA). Il est aussi coordinateur scientifique du programme de recherche "Future Energy" de la Fondazione Eni Enrico Mattei (FEEM). Au cours de ses 35 années de carrière, Manfred Hafner a conseillé un très grand nombre de gouvernements, d’organisations internationales et d’acteurs industriels sur les questions énergétiques.
Pierre Laboué
Pierre Laboué est chercheur à l’IRIS au sein du programme « Climat, énergie et sécurité ».
Spécialisé sur les questions énergétiques, en particulier l’industrie pétro-gazière, il pilote l’Observatoire de la sécurité des flux et des matières énergétiques pour le compte de la DGRIS du ministère des Armées. Il enseigne à l’IRIS Sup et gère la formation Enjeux géostratégiques de l’énergie. Avant de rejoindre l’IRIS, Pierre Laboué a travaillé à The Oil &
Gas Year, Xerfi et à l’ambassade de France en Ouzbékistan comme attaché économique.
7 REMERCIEMENTS
L’Observatoire de la sécurité des flux et des matières énergétiques (OSFME) tient à remercier les personnes suivantes pour leur éclairage et leur expertise sur la technologie des batteries :
- Thomas Courbe, Directeur général de la Direction générale des entreprises au sein du ministère de l'Économie, des Finances et de la Relance
- Pierre Paturel, Directeur d’études, Expert Énergie et Mobilité au Groupe Xerfi
- Thierry Priem, Responsable Programme Stockage et solutions de flexibilité au Commissariat à l’énergie atomique (CEA), DES/DPE
- Jean-Marie Tarascon, Professeur au Collège du France et directeur du RS2E (le Réseau français sur le stockage électrochimique de l'énergie)
Classement par ordre alphabétique
L’OSFME tient également à remercier les personnes suivantes pour leur soutien dans la production de ce rapport :
- Marine Simoën, ingénieur économiste au département Global Strategy and Business Development du groupe Equinor, chercheure associée à l’IRIS
Les analyses présentées dans ce rapport n’engagent que l’Observatoire de la sécurité des flux et des matières énergétiques (OSFME).
8
ÉTAT DES LIEUX ET PERSPECTIVES
DU MARCHÉ MONDIAL DES BATTERIES
À RETENIR
La demande mondiale en batteries sera multipliée par 10 à l’horizon 2030 par rapport à 2020.
Le marché sera porté par la croissance des besoins de l’électromobilité. Le nombre de véhicules électriques en circulation dans le monde passera de 50 millions d’unités en 2025 et à 135 millions en 2030. La Chine concentrera la plus grande partie de la demande totale de batteries d’ici 2030 tandis que l’Union européenne deviendra le deuxième marché mondial.
L’Asie est au cœur de l’industrie mondiale des batteries. Le Japon et la Corée du Sud contrôlent près des deux tiers des familles internationales de brevets déposées sur la technologie lithium- ion entre 2014-2018. La Chine s’est imposée comme le chef de file de l’industrie mondiale des batteries, et ce sur tous les segments de la chaîne de valeur, des produits raffinés aux packs de batteries en passant par les composants.
Les batteries lithium-ion sont au cœur d’une nouvelle géopolitique des matières premières.
Plusieurs minerais des batteries ont été classés comme des matières premières critiques par l’Union européenne, à l’instar du lithium, du cobalt et du graphite naturel. La Chine mène une diplomatie offensive de sécurisation de ses approvisionnements via le rachat de mines à l’étranger par les entreprises chinoises. Les acteurs industriels expriment régulièrement leur crainte d’une offre mondiale insuffisante pour répondre à la demande.
Les batteries lithium-ion réunissent plusieurs de types de batteries (LCO, LMO, LFP, NCA, NMC).
Les batteries de type NMC sont les plus commercialisées dans le monde grâce à leur succès sur le marché automobile. Entre 2010 et 2019, le prix moyen d’un pack de batterie pour VE a diminué de 87%. Un autre axe de développement des fabricants de batteries consiste à réduire leur consommation de minerais critiques, en particulier le cobalt.
De nouvelles générations de batteries en développement pourraient rebattre les cartes du marché mondial du stockage de l’énergie. Les efforts de brevetage sur la batterie tout solide (Solid State Battery) se sont intensifiés ces dernières années. Cette technologie de 4e génération offrirait des performances nettement supérieures à la batterie lithium-ion pour l’automobile.
Les technologies de 5e génération incluent le sodium-ion, le lithium-soufre, le lithium-air ou encore la batterie à flux circulants.
9
LES ENJEUX STRATÉGIQUES DU MARCHÉ DES BATTERIES
MISE AU POINT : LE STOCKAGE STATIONNAIRE ET LE STOCKAGE EMBARQUÉ
Un enjeu stratégique et une compétition mondiale
Le stockage de l’électricité est un enjeu stratégique. Il permet de répondre aux défis industriels du XXIe siècle et de conquérir de nouveaux marchés dans les transports (véhicules électriques), l’énergie (l’intégration des énergies renouvelables) ou encore les biens de grande consommation (objets connectés). L’importance prise par plusieurs pays d’Asie dans le domaine des batteries, dont la Chine, stimule la compétition internationale pour la maîtrise de ce secteur.
Deux grands types d’usages : le stockage stationnaire et le stockage embarqué
Les applications des batteries peuvent être divisées en deux grands types d’usages différents : le stockage stationnaire et embarqué (pour les solutions de mobilité et usages portatifs).
Les principales applications et les grands marchés clients des batteries (*)
Stockage embarqué
Fournir l'électricité nécessaire au fonctionnement
des équipements et appareils mobiles
Les solutions
« devant le compteur »
Présentation: solutions de stockage reliées aux systèmes de production et aux réseaux de transmission et de distribution
Marchés clients : Producteurs, gestionnaires de réseaux
Services: stabilisation de la tension et de la fréquence du réseau électrique, intégration des EnR intermittentes
Stockage stationnaire
Garantir l'équilibre entre la production et la consommation
d'électricité
Les solutions
« derrière le compteur »
Présentation: solutions de stockage situés au niveau des consommateur d’électricité
Marchés clients: industrie, services, bâtiment résidentiel
Services: fourniture de solutions de secours en cas de coupure électrique, réduction de la facture énergétique pendant les heures de pointe, intégration des EnR locales
Les solutions de mobilité
Présentation: solution de stockage embarqué dans les véhicules de transport
Marchés clients: utilitaires, véhicule automobile, petite mobilité (vélo, trottinette, etc.)
Services: alimentation des groupes motopropulseurs, alimentation des systèmes électriques embarqués, démarrage des moteurs à explosion
Les solutions portatives
Présentation: solution de stockage embarqué dans les appareils électroniques
Marché client : équipement et appareils électroniques (téléphone, ordinateur, etc.)
Services: alimentation d’applications électroniques
(*) Liste non-exhaustive / Source : OSFME
10 L’ESSOR DE L’ÉLECTROMOBILITÉ, VÉRITABLE MOTEUR DU MARCHÉ
Le boom des voitures électriques, un changement de paradigme industriel
Après avoir longtemps été limitée à une toute petite niche commerciale n’attirant que les consommateurs technophiles, la voiture électrique (VE)1 est aujourd’hui entrée dans l’ère de la consommation de masse et apparaît de plus en plus clairement comme la nouvelle norme de la mobilité individuelle à un horizon de moyen voire court terme (10 ans voire beaucoup moins dans certains pays, notamment en Scandinavie). Alors qu’à peine 17 000 VE circulaient dans le monde en 2010, les ventes ont dépassé 2,1 millions en 2019, en hausse de 40% par rapport à 2018, portant le parc mondial à 7,2 millions d’unités. Près de la moitié (47%) des VE en circulation roulent en Chine, tandis qu’avec 1,7 et 1,5 million de VE en circulation au 1er janvier 2020, l’Europe2 et les États-Unis représentent respectivement 25 et 20 % de la flotte mondiale de VE.
Évolution du stock de VE en circulation, 2010-2019 (*) Répartition du stock de VE en 2019 (*)
Unité : nombre de VE en million Unité : part en % du nombre de VE
(*) Inclus les véhicules particuliers tout-électrique (BEV) et les véhicules hybrides rechargeables (PHEV) mais pas les véhicules utilitaires légers / Traitement OSFME / Source : IEA, « Global EV Outlook 2020, Entering the decade of electric drive? », juin 2020, page 40, figure 1.1
Certes, ces ventes ne correspondaient qu’à une part de marché de 2,6% au niveau mondial en 2019 (soit environ 1% du parc automobile mondial). Mais elle est en hausse très rapide (quasi doublement par rapport à 2017) et elle est nettement plus élevée sur certains marchés considérés comme pionniers, en particulier en Chine (4,9%) et en Europe (3,5%). De plus, la crise économique liée à la pandémie du COVID-19 semble, contre toute attente, jouer un rôle d’accélérateur dans le processus d’électrification du parc automobile, en particulier en Europe.
1 Il s’agit à la fois des voitures particulières électriques pures (également appelées "voitures 100% électriques" ou “voitures électriques à batterie”) et des véhicules hybrides rechargeables. Les voitures hybrides non rechargeables ne sont pas
comptabilisées comme des VE. En 2019, la flotte mondiale des VE était composée aux deux tiers de véhicules 100% électriques contre un tiers d’hybrides rechargeables. Les ventes mondiales de VE en 2019 étaient aux trois quarts composées de véhicules 100 % électriques, mais avec des différences notables d’un pays à l’autre.
2 Sauf mention contraire, l’Europe désigne l’UE27 plus le Royaume-Uni, la Norvège, la Suisse, l’Islande et la Turquie, selon la nomenclature de l’AIE.
0,02 0,06 0,18 0,39 0,69 1,24 1,99
3,14 5,11
7,17
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 0
2 4 6 8
Chine 46,7%
Europe 24,5%
Etats- Unis 20,2%
Reste du monde
8,6%
11 La part de marché globale des VE devrait ainsi largement dépasser les 3% sur l’année 2020, portée par une croissance exceptionnelle des ventes en Europe, en particulier dans les derniers mois de l’année. Alors que les ventes de voitures (tous types de motorisation confondus) se sont effondrées partout dans le monde au cours des premiers mois de 2020 en raison de la crise sanitaire, les ventes de VE se sont globalement maintenues. En Europe, elles ont même augmenté de 113 % sur les 11 premiers mois de l’année 2020 par rapport à la même période de 2019, tandis que le marché automobile dans son ensemble reculait de plus de 25 %.
C’est véritablement à un changement de paradigme de consommation auquel nous sommes en train d’assister en Europe. Sur les 11 premiers mois de l’année 2020, la part de marché des VE a atteint 12 % en Allemagne (contre 3 % en 2019), 10 % en France et au Royaume-Uni (2,8 % en 2019 dans les deux pays), 30 % en Suède (11,5 % en 2019) et même 73 % en Norvège (56 % en 2019 et moins de 1 % en 2011). Sur le seul mois de novembre 2020, la part de marché des VE s’est élevée à 20 % en Allemagne, 16 % au Royaume-Uni, 15 % en France, 39 % en Suède et 80 % en Norvège, où les ventes de voitures à moteur thermique (diesel et essence) ont quasiment cessé pour ne plus représenter que 10 % du marché. Alors que la Chine dominait largement le marché des VE jusqu’en 2019 (au cours de laquelle la moitié des ventes mondiales de VE ont eu lieu en Chine, contre un quart en Europe et 16 % aux États-Unis), l’Europe devrait cette année représenter environ 40% des ventes de VE, à égalité avec la Chine.3
À noter qu’en plus des 7,2 millions de VE, il y avait en 2019 quelque 377 000 véhicules utilitaires légers électriques (VUL) en circulation dans le monde (contre 310 000 en 2018), dont les deux tiers en Chine et le tiers restant en Europe. Les parts de marché sont encore négligeables, tant en Chine (2,2 % en 2019) qu’en Europe (à peine plus de 1 %) et peinent, à l’inverse des VE, à décoller, en l’absence de politiques d’incitation.
Contribution plus modeste des autres modes de transport
D'autres modes de transport participent également, mais beaucoup plus modestement, à la demande de batteries (notamment les deux- et trois-roues électriques ainsi que les supports de la micromobilité comme les trottinettes et les vélos électriques), ou pourraient, à l ’avenir, y participer (bus, véhicules utilitaires et poids lourds, bateaux et avions).
D’importants progrès technologiques dans l'électrification des deux- et trois-roues ont d’ores et déjà eu lieu, permettant à quelque 350 millions de motos et scooters électriques de circuler actuellement dans le monde, dont un quart en Chine, où de nombreuses villes ont interdit les deux- et trois-roues à moteur thermique.
3 Les statistiques du marché des VE sont issues de IEA (2020), Global EV Outlook 2020. Entering the decade of electric drive?, juin 2020, sauf pour les ventes 2020 (source : cleantechnica.com).
12 Le marché des bus électriques reste encore relativement confidentiel, sauf en Chine où se concentre la quasi-totalité de la flotte mondiale de bus électriques (un demi-million d’unités fin 2019). S ’il est probable que la demande pour les bus électriques se développera à l’avenir, notamment en raison de la volonté de nombreuses villes européennes, asiatiques (Calcutta, Bombay, etc.) ou encore américaines (Mexico, Santiago du Chili, etc.) de lutter contre la pollution de l’air en convertissant leur flotte de bus à l’électrique, les choix technologiques sont plus ouverts sur ce segment où l’hydrogène propre et le bioGNV présentent des atouts indéniables en vue de sa décarbonation.
De même, la décarbonation du transport routier de marchandises ne passera pas forcément par l’électrification. Aujourd’hui, seuls quelques milliers de camions électriques circulent dans le monde. Certes, les fabricants tendent à accroître l’offre par de nouveaux modèles (dont certains émanent de nouveaux entrants sur le marché, comme les Américains Tesla et Nikola), mais les choix technologiques restent plus ouverts pour les poids lourds que sur les véhicules individuels.
Si certains constructeurs misent en priorité sur l’électrique (notamment Daimler, Renault et Volvo, qui ont commencé la production de camions électriques en 2019), l ’hydrogène, les biocarburants, les gaz verts neutres en carbone voire le LNG constituent aujourd’hui des alternatives sérieuses pour les véhicules lourds grâce à leurs atouts (autonomie, vitesse de rechargement, etc.).
Enfin, pour les bateaux et les avions, le recours à l’électricité n’est encore qu’une hypothèse très lointaine. Certes, l’électrification du transport maritime progresse, mais elle est actuellement limitée aux ferries et autres navires à courte distance. À court terme, les navires purement électriques ne devraient être économiquement compétitifs avec d'autres groupes motopropulseurs à faible émission de carbone (hydrogène, biocarburants, etc.) que sur des distances courtes (jusqu'à 200 km). Dans l’aviation, il existe certes des petits avions à turbopropulseurs électriques et plusieurs démonstrations de petits avions électriques à batterie volant sur de très courtes distances ont été réalisées (le premier vol d ’un avion de passagers commercial entièrement électrique a eu lieu en décembre 2019 au Canada, d’une durée de 15 minutes). Cependant, même avec une augmentation rapide de la densité énergétique des batteries, il semble peu probable que des avions à batteries soient capables de parcourir des distances supérieures à 1 000 km avant plusieurs décennies. Les avions électriques hybrides pourraient néanmoins émerger dans la prochaine génération d’avions, permettant par exemple de réduire la consommation de carburant et les émissions grâce à l’électrification des opérations au sol (roulage, etc.) (IEA).
13 Une croissance portée par les politiques publiques Si les prospectivistes ont longtemps considéré que c’était l’épuisement inéluctable des ressources pétrolières qui allait rendre nécessaire la transition énergétique dans le domaine du transport, c’est en réalité le réchauffement climatique et (dans une moindre mesure) la pollution de l’air, qui apparaissent comme les principales raisons de cette électrification de la mobilité.
Le secteur des transports est en effet l’un des premiers contributeurs au changement climatique : au sein de l ’UE, il représente plus du 25 % des émissions de gaz à effet de serre (GES), dont les trois quarts proviennent du transport routier. C’est d’ailleurs le seul secteur dont les émissions continuent d’augmenter (hausse des émissions de près de 25 % entre 1990 et 2019) en raison du développement de la mobilité (passagers et marchandises) et de l’alourdissement des véhicules. Parce qu’ils n’émettent aucun GES d’échappement et ont une bien meilleure efficacité énergétique que les véhicules à moteur thermique, les VE se positionnent comme une technologie clé pour réduire à la fois les émissions de gaz à effet de serre (GES) et la pollution atmosphérique dans les zones urbaines, justifiant ainsi le soutien que leur accordent les pouvoirs publics.
La transition vers la mobilité routière décarbonée repose en pratique sur une série de politiques publiques visant à encadrer le choix des consommateurs. Ces politiques publiques s’articulent à différents échelons décisionnaires, étatique, local et régional, en particulier au niveau de l’Union européenne (UE), et bénéficient de manière générale d’un large consensus politique, ce qui favorise la cohérence des dispositifs et leur efficacité globale.
Subsides et encouragements financiers des États
Pour promouvoir l’adoption des véhicules propres, divers instruments de politique publique sont mis en place au niveau national.
Il s’agit d’une part de signaux à long terme comme le bannissement des véhicules à essence et diesel : à travers le monde, plus d’une vingtaine de pays ont ainsi annoncé leur intention d’interdire la vente de véhicules à moteur à essence et diesel à l’horizon 2050 (Allemagne, Japon), certains ayant même abaissé cet objectif à 2040 (France, Canada), voire 2030 (Royaume-Uni, Israël, Suède) et même 2025 (Norvège).
Il s’agit d’autre part de multiples incitations financières visant à encourager l’achat des véhicules à faibles émissions, généralement sous forme de prime à l’achat, mais également de suppression ou de réduction de la taxe d’immatriculation, de soutien pour l’installation de bornes de recharge privées, etc. Ces subventions sont l’un des moteurs essentiels de la croissance actuelle du marché des VE. Le soutien des pouvoirs publics à l’achat de VE est envisagé à titre transitoire, c’est-à-dire limité à la période nécessaire pour faire émerger le marché jusqu’à ce que les économies d'échelle aient fait suffisamment baisser les prix des VE pour les rendre compétitifs par rapport aux voitures à moteur thermique. Mais ce moment de bascule ne semble pas encore être arrivé. En 2019, la
14 décision du gouvernement chinois de réduire les subsides à l’achat de VE s’est traduite par une chute spectaculaire des ventes de VE au second semestre 2019 et dans les premiers mois de 2020, poussant finalement les autorités chinoises à les rétablir jusqu'en 2022. Aux États-Unis, les réductions des subventions fédérales (qui sont limitées à un certain nombre d’unités) ont également freiné les ventes de VE, malgré l’augmentation du soutien de certaines collectivités locales.
L’importance de l’échelon local
En parallèle aux subsides des États, les incitations financières et réglementaires du ressort des autorités locales sont essentielles pour pousser les consommateurs et les entreprises à choisir l'option électrique.
Elles visent notamment à améliorer les conditions d’usage des véhicules propres en leur offrant un certain nombre d’avantages : rabais aux péages routiers, mise en place de zones à faibles émissions, places de parking réservées, installation de bornes de recharge, accès aux voies de bus, etc. Dans un souci d’amélioration de la qualité de l’air et du cadre de vie en général, un nombre de plus en plus important de villes partout dans le monde décident d’interdire, à plus ou moins brève échéance, l’accès au centre-ville pour les voitures les plus polluantes, offrant ainsi un avantage supplémentaire aux propriétaires de voitures particulières et de véhicules utilitaires électriques.
La commande publique, en particulier pour l’achat d’autocars et autobus à faibles émissions de CO2, est un second levier important dont disposent les collectivités territoriales. S’il reste encore peu utilisé (puisque près de 85% des bus nouvellement immatriculés en Europe en 2019 étaient à motorisation diesel, contre environ 6% pour les carburants alternatifs (gaz pour l’essentiel), 5%
pour les hybrides électriques et 4% pour la catégorie tout-électrique), il devrait permettre d’accélérer l’électrification dans les segments du transport collectif et des flottes captives dans les années à venir, en particulier en Europe4.
La centralité du cadre normatif européen
Au-delà des aides, financières notamment, des pouvoirs publics nationaux, la clé de voûte de la transition énergétique dans les transports demeure le cadre réglementaire, en particulier en Europe où le renforcement progressif et constant des normes d’émission de CO2 des véhicules particuliers s’est avéré essentiel pour le marché des VE, à la fois du côté de l’offre et de la demande.
4 Marc-Antoine Eyl-Mazzega, Carole Mathieu et Éloïse Couffon (2020), « Le pari de la mobilité routière propre en Europe : état des lieux, stratégies et perspectives post COVID-19 », Études de l’Ifri, Ifri, octobre 2020
15 L’abaissement continu (et prévisible) des seuils d’émission autorisé pour les voitures neuves5 pousse depuis plusieurs années les constructeurs automobiles à proposer une gamme toujours plus large de VE, afin de compenser les émissions des voitures à moteur thermique de leur catalogue, car le non-respect des normes devrait dorénavant être sanctionné par des amendes se chiffrant potentiellement en milliards d’euros6. Au contraire des aides financières ponctuelles données par les gouvernements aux acheteurs de VE, qui ont un impact temporaire, la stratégie de l’UE a permis le développement d’un écosystème complet de VE en offrant une prévisibilité à long terme indispensable pour que les constructeurs engagent les investissements lourds en faveur de l’électrification.
Certes, l’approche normative européenne se veut technologiquement neutre et ne favorise pas plus l’électrification que les biocarburants ou le GNL. Mais en pratique, elle impose des changements rapides qui ne sont tenables par les constructeurs automobiles que par l’électrification des voitures, au détriment de technologies moins matures pour le véhicule individuel. Cette situation est encore renforcée par le fait que les constructeurs ont renforcé la part des SUV dans leur catalogue, qui représentent un tiers des ventes en Europe et qui plombent les performances des constructeurs en termes d’émission de CO2.
5 Actuellement de 95 gCO2/km, il devrait baisser à 60 gCO2/km d’ici 2030 et tendre quasiment vers zéro à l’horizon 2050, date à laquelle l’UE espère parvenir à la neutralité carbone.
6 La nouvelle norme CAFE (Corporate Average Fuel Economy) impose un seuil d’émission de CO2 moyen calculé sur l’ensemble de leur vente (et non sur leur catalogue) à partir de 2020. Les autorités européennes ont annoncé qu ’elles vérifieront effectivement à partir de 2021 si les émissions moyennes de l’ensemble des ventes d’un constructeur ne dépassent pas 95 gCO2/km. Selon certaines estimations, le montant cumulé des amendes pourrait atteindre plus de 14 milliards d’euros. PA Consulting, “Majority of Car Makers Face Huge Fines for Missing CO2 Emissions Targets”, Communiqué de presse, 10 décembre 2018.
16 La demande en véhicules électriques à l’horizon 2030
La croissance du marché des véhicules de transport électriques devrait se poursuivre à un rythme soutenu tout au long de la décennie. L’AIE a établi plusieurs scénarios pour tenter d’évaluer quantitativement le marché sur les dix prochaines années.7
Explosion du nombre de VE en circulation
Dans le scénario Stated Policies, les ventes de voitures électriques particulières et de véhicules électriques utilitaires confondus devraient atteindre 14 millions d’unités en 2025 (soit une part de marché de 10%) et 25 millions en 2030 (16%). Cela porterait le parc à près de 50 millions d’unités en 2025 et à 135 millions en 2030 (contre environ 7,6 millions en 2019). Dans le scénario Sustainable Development, plus ambitieux, le parc s’approcherait des 80 millions en 2025 et des 240 millions en 2030 (soit une multiplication par trente par rapport à 2019).
Stock de véhicules électriques en circulation dans le monde à l’horizon 2030 (*) Unité : millions de véhicules
(*) Inclus les véhicules particuliers (BEV & PHEV) et les véhicules utilitaires légers (BEV & PHEV) / Traitement OSFME / Source : IEA, « Global EV Outlook 2020, Entering the decade of electric drive? », juin 2020, page 155, figure 3.1
Forte croissance des autres modes de transports
En parallèle, le parc mondial des deux- et trois-roues électriques, de 300 millions d ’unités en 2019, devrait atteindre entre 400 millions et 490 millions en 2030 selon les scénarios, principalement en Chine, en Inde et en Asie du sud-est ; le parc de bus électriques devrait atteindre entre 3 et 5 millions en 2030, selon le scénario, contre un demi-million en 2019, et celui des poids lourds entre 0,6 et 3 millions.
7 Le premier, dit “Stated Policies”, prend en compte l’ensemble des annonces faites par les gouvernements en matière de politiques énergétiques et climatiques. Le second (“Sustainable Development”) se veut compatible avec les objectifs des Accords de Paris sur le Climat et les Objectifs du développement durable (ODD) des Nations Unies prévoyant la généralisation de l’accès à l’énergie dans le monde.
7,6
47,8
135,0
7,6
74,3
237,1
0 50 100 150 200 250
2019 2025 2030
Stated Policies Scenario Sustainable Development scenario
17 La répartition géographique du marché des véhicules électriques
La Chine restera le premier marché mondial des véhicules de transport à l’horizon 2030, quel que soit le scénario envisagé par l’AIE. Cette situation s’explique par la profondeur de son marché intérieur et le maintien des politiques publiques de soutien au développement du VE. Dans le cas du Stated Policies Scenario, le pays continuera de représenter près 50% des ventes mondiales annuelles. La part de marché des ventes de véhicules électriques (tous modes confondus, à l’exception des deux- et trois-roues) atteindra les 40% dans la décennie à venir. Le marché chinois sera donc incontournable pour les constructeurs automobiles mondiaux.
L’Union européenne représentera du deuxième marché mondial en termes de ventes annuelles de véhicules de transport électriques. Ce segment représentera même 50% des véhicules vendus à l’horizon 2030. Le volume total de ventes demeurera nettement inférieur à celui de la Chine mais le marché européen disposera d’une masse critique plus importante que le marché états-unien et les autres marchés étrangers.8
Ventes de véhicules de transport électrique par pays d’ici 2030 (*) Unité : million de véhicules
Stated Policies Scenario Sustainable Development Scenario
(*) Hors deux- et trois-roues / Traitement OSFME / Source : IEA, « Global EV Outlook 2020, Entering the decade of electric drive? », juin 2020, page 155, figure 3.1
Part de marché des véhicules de transports électriques à l’horizon 2030 (*) Unité : part de marché en % des ventes totales de véhicules de transport
(*) Hors deux- et -trois roues /Traitement OSFME / Source : IEA, « Global EV Outlook 2020, Entering the decade of electric drive? », juin 2020
8 IEA, « Global EV Outlook 2020. Entering the decade of electric drive? », juin 2020 12,3
0 3 6 9 12 15
2019 2025 2030
Chine
Europe
Etats-Unis
Reste du monde
13,9
0 4 8 12 16 20
2019 2025 2030
Chine
Europe
Etats-Unis
Reste du monde
30%
40%
50%
Etats-Unis Union européenne Chine
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60%
18 LE STOCKAGE STATIONNAIRE, UN MARCHÉ ENCORE ÉMERGENT En dehors du secteur de la mobilité, la demande pour les batteries devrait également connaître une forte croissance au cours de la prochaine décennie sur le marché, aujourd’hui anecdotique, du stockage stationnaire d’électricité. À l'échelle mondiale, la capacité mondiale de stockage s’élevait en 2019 à environ 200 GWh (soit à peine quelques secondes des besoins mondiaux).
Un développement soutenu par les solutions des batteries
Le stockage se fait aujourd’hui à 90% grâce à la technique de pompage-turbinage (consistant à remonter de l'eau vers un bassin d'accumulation en hauteur lorsque la production d'électricité est supérieure à la demande, puis de turbiner l'eau ainsi mise en réserve pour produire de l'énergie électrique lorsque la demande est forte). Si quelque 10 GWh supplémentaires de projets hydroélectriques par pompage sont en cours de construction ou en projet, le potentiel de cette technique est limité par le nombre réduit de sites appropriés, l’importance des travaux d’ingénierie à réaliser et donc leur coût et leur délai. Il en va de même pour le stockage d'énergie à air comprimé, consistant à stocker de l’air comprimé dans des cavités souterraines : la technologie existe mais les possibilités de mise en œuvre sont restreintes.
Encore marginale, la capacité de stockage stationnaire par batteries connaît depuis quelques années un fort développement et devrait, selon les projections de l’AIE, s’envoler au cours des prochaines années. Les atouts de cette technologie peuvent faire émerger de nouveaux usages industriels. Sur le plan de la R&D, le stockage stationnaire par batterie bénéficie des retombées du développement des solutions embarquées dans l'électromobilité. Sur le plan des capacités installées, la croissance du stockage stationnaire pourrait être portée par la réutilisation des batteries de voiture en fin de vie avec le concept dit de seconde vie (lorsqu’une batterie ne peut plus être utilisée pour alimenter un véhicule, mais peut toujours fonctionner à 70-80% de sa capacité de stockage d'origine). La réutilisation des batteries de VE est d’autant plus intéressante que, par rapport au pompage-turbinage, les batteries offrent l’avantage d’être modulaires, c’est- à-dire de pouvoir être couplées à l’infini pour augmenter la capacité totale d’une installation.
Le stockage stationnaire par batterie se fait aujourd’hui essentiellement par des batteries lithium-ion mais d'autres technologies pourraient être mieux adaptées à moyen-long terme. Les batteries sodium-soufre ou les batteries à flux pourraient offrir de meilleures performances pour des durées de stockage plus longues, ou lorsque les systèmes sont sur ou sous-alimentés sur des périodes de plusieurs jours ou semaines, pour répondre au mieux à l’augmentation de la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique.
19 Des besoins tirés par l’intégration des EnR et le remplacement des centrales de pointe
Le principal moteur de la croissance du stockage stationnaire est le développement de la production d’électricité à partir d’énergies renouvelables intermittentes (solaire photovoltaïque et éolien en particulier). La co-implantation d'installations de production d'énergie renouvelable avec des moyens de stockage d’énergie permet de mieux répartir la production disponible dans le temps et ainsi garantir une réponse adéquate à la demande pendant les périodes de pointe.
Dans la même logique, le stockage stationnaire par batteries pourrait à terme remplacer une grande partie des capacités de production des centrales de pointe. Ces centrales, dont la flexibilité permet d’ajuster en temps réel l’offre à la demande, ont des coûts de production généralement très élevés car elles ne sont utilisées que quelques jours voire quelques heures par an, lors de pics de consommation. En rendant possible de découpler la production et la consommation électrique dans le temps, le stockage via des batteries doit permettre de lisser la production en n ’utilisant que des centrales à charge de base tout en répondant aux fluctuations de la demande, avec à la clé d’importants gains économiques puisqu’il conduit à une utilisation globale plus élevée des actifs du système électrique.
Ce besoin de stockage existe d’une part chez les producteurs d’électricité alimentant le réseau (il s’agit de “grid storage”), qui requièrent des capacités de stockage importantes, et d’autre part chez les particuliers disposant de petites capacités de production (par exemple des panneaux solaires installés sur une habitation) et voulant stocker leur production à toute petite échelle (ou
“behind-the-meter storage”), que ce soit pour des raisons de résilience (en Californie notamment, qui a récemment connu des épisodes de blackout suite à l’effondrement du réseau à cause d’incendies) ou dans une logique prosumériste (Australie, Allemagne). Des entreprises, comme Tesla avec son Powerwall, se sont déjà positionnées sur ce marché.
Dans un cas comme dans l’autre, le marché est encore embryonnaire et fortement dépendant des politiques publiques d’aide et d’incitation. Avec la Corée du Sud, le Japon est actuellement l’un des principaux marchés pour les solutions de stockage individuelles, après que le gouvernement ait revu à la baisse les tarifs de rachat de la production solaire des particuliers, les poussant à investir dans des capacités de stockage. En Europe, le principal marché est l’Allemagne où environ 200 000 foyers étaient équipés de systèmes de stockage d'énergie en 2019 (en augmentation de 44% par rapport à l'année précédente) et où dorénavant près d’une installation de panneaux solaires résidentiels sur deux se fait en couple avec un système de stockage9.
9 IEA (2020), Innovation in batteries and electricity storage. A global analysis based on patent data, septembre 2020.
20 Les exemples de projets déployés ou en cours de déploiement
Le déploiement du stockage stationnaire de réseau (grid storage) par batteries est encore limité à quelques projets pilotes. L'un des plus avancés, considéré comme une référence dans le domaine, est celle du parc éolien (315 MW) de Hornsdale en Australie-Méridionale dont le système de stockage (capacité de 194 MWh / puissance de 150 MW) a été installé par Tesla en 2017 (extension en 2020). La plus grande centrale de stockage actuellement en activité est celle de Gateway (230 MWh / 250 MW) en Californie inaugurée à l’été 2020, mais des projets encore plus importants devraient prochainement voir le jour. En Europe, plusieurs projets ont été lancés, de taille beaucoup plus réduite. L’un des plus anciens est celui du suédois Vattenfall à Pen y Cymoedd dans le sud du Pays de Galles, où un parc éolien est couplé depuis 2017 à une batterie de 22 MW.
En France, on peut noter le projet Ringo (capacité de stockage de 24 MWh / 12 MW) à Vingeanne (Côte d’Or), dont la mise en service est prévue en juin 2021, ou encore la construction d’une unité de stockage (25 MWh / 25 MW) par SAFT (groupe Total) près de Dunkerque, qui devrait devenir opérationnelle courant 2021.
À noter que les véhicules électriques en circulation pourraient apporter de nouvelles solutions de stockage stationnaire et contribuer à stabiliser et flexibiliser le réseau électrique. Dans son scénario Sustainable Development, l’AIE estime en effet que d'ici 2030, quelque 16 000 GWh d'énergie, soit environ 80 fois la capacité de stockage mondiale actuelle, pourraient être stockés dans des batteries de véhicules électriques au niveau mondial et participer ainsi à la stabilité du réseau d’approvisionnement électrique via les solutions Vehicule-to-Grid (V2G). Au total, environ 5% de la capacité totale des batteries des VE pourraient être mis à la disposition du réseau pendant les heures de pointe et fournir ainsi environ 600 GW de capacité flexible dans le monde d'ici 2030, pour autant que d’importantes améliorations techniques soient apportées permettant de développer le V2G (qui n’est aujourd’hui pas possible en l’état actuel des installations de recharge).
21 PERSPECTIVES DU MARCHÉ MONDIAL DES BATTERIES À L’HORIZON 2030
Une demande en plein essor tirée par l’électromobilité
La demande en volume sera portée par les besoins de l’électromobilité, en pleine expansion. Les besoins mondiaux en solutions de stockage embarqué pour le transport seront multipliés par un facteur 10, pour passer de 229 GWh en 2020 à 2 333 GWh en 2030.
Les besoins naissants du stockage stationnaire alimenteront également la croissance du marché en volume, avec un ordre de grandeur plus modeste. La demande mondiale pour ce type de service énergétique passera de 10 GWh en 2020 à 221 GWh d’ici 2030. La demande de l’électronique portative n’augmentera que très faiblement, comparativement aux deux autres types d’usages, les besoins en énergie de ces appareils étant par définition bien plus faibles.
Évolution de la demande mondiale en batterie pour l’électromobilité et le stockage stationnaire Unité : demande exprimée en GWh
Source : European Technology and Innovation Platform on Batteries – Batteries Europe, « Strategic Research Agenda for batteries », 4 décembre 2020, page 11
La demande mondiale en batterie par grand type d’usage Unité : GWh
Segment 2018 2020 2025 2030
Électromobilité 142 229 808 2 333
Stockage stationnaire 4 10 105 221
Électronique portative 38 43 58 69
Source : European Technology and Innovation Platform on Batteries – Batteries Europe, « Strategic Research Agenda for batteries », 4 décembre 2020, page 11
142 229
808
2333
4 10
105
221
0 1000 2000 3000
2018 2020 2025 2030
Electromobilité Stockage stationnaire
22 Une demande mondiale largement concentrée en Chine
La Chine restera de loin le premier marché mondial des batteries à 2030. La demande chinoise en solutions de stockage d’énergie, tous segments confondus, qui représentait plus de la moitié de la demande mondiale en 2020, continuera de concentrer près de 43% du total d’ici 10 ans.
Le deuxième marché client à l’horizon 2030 sera l’Union européenne, dont la demande dépassera les États-Unis pour atteindre 443 GWh dans la décennie à venir. Le marché européen des batteries pourrait représenter 250 Md EUR en valeur à partir de 202510, d’après la Commission européenne.
À eux trois, la Chine, les États-Unis et l’UE représenteront près des trois quarts du marché mondial.
Évolution de la demande mondiale en batterie pour l’électromobilité et le stockage stationnaire Unité : demande exprimée en GWh
Source : European Technology and Innovation Platform on Batteries – Batteries Europe, « Strategic Research Agenda for batteries », 4 décembre 2020, page 11
La demande mondiale en batterie par pays Unité : part en % de la demande mondiale en GWh
Traitement OSFME / Source : European Technology and Innovation Platform on Batteries – Batteries Europe, « Strategic Research Agenda for batteries », 4 décembre 2020, page 11
10 EBA250, « Building a European battery industry », page Internet, consulté la dernière fois le 16 décembre
126 142 487
1122 443 357 701
0 1000 2000 3000
2018 2020 2025 2030
Reste du monde Etats-Unis UE Chine
Chine 50,4%
UE 12,1%
Etats- Unis 22,0%
Reste du monde
15,6%
2020
Chine 42,8%
UE 16,9%
Etats- Unis 13,6%
Reste du monde
26,7%
2030
23
LES ENJEUX DE LA TECHNOLOGIE DES BATTERIES
MISE AU POINT : COMPRENDRE LA TECHNOLOGIE DES BATTERIES
Les 3 principales familles technologiques de batteries : plomb, nickel et lithium
Le stockage de l’électricité, un défi technologique
L'électricité est un phénomène physique qui se caractérise par un déplacement d’électrons au niveau atomique. En tant que phénomène en mouvement, l’énergie électrique ne peut pas être stockée sous sa forme propre. Il est nécessaire de la convertir en un autre type d’énergie11 pour reporter son usage dans le temps. Les batteries appartiennent à la famille des solutions de stockage électrochimique. Les batteries concentrent la plus grande part des dépôts de brevets dans le domaine du stockage de l’électricité12.
Les principales familles de batteries
Il existe 3 principales familles technologiques de batteries qui se distinguent par la nature de leurs composants et/ou de leur conception. Les batteries au plomb (Pb) disposent d’électrodes à base de plomb immergées dans un électrolyte composée d’acide sulfurique. Les batteries nickel (Ni) utilisent une cathode en nickel et un électrolyte aqueux d’hydroxyde de potassium (KOH). L’anode est différente selon la technologie développée. Les batteries au lithium (Li) utilisent du lithium au niveau des électrodes et/ou de l’électrolyte.
3 grandes familles de batteries (*)
Test ABC
azeraz e
Batteries au plomb (Pb)
Batteries
au nickel (Ni)
Batteries
au lithium (Li)
- Le Français Gaston Planté met au point la batterie plomb en 1859
Exemples : - Plomb-acide conventionnelle (SLI) -Enhanced Flooded Battery (EFB)
-Absorbent Glass Mat (AGM)
- Plomb à électrolyte gélifié (GEL)
- Le Suédois Waldmar Jungner développe la batterie Ni-Cd en 1899
Exemples :
- Nickel-Cadmium (Ni-Cd) - Nickel-Zinc (Ni-Zn) - Nickel-Fer (Ni-Fe) - Nickel-Hydrogène (Ni-H) - Nickel-Métal-Hydrure (Ni-Mh)
- Développées dans les années 1970, le Japonais SONY commercialise la 1èrebatterie lithium-ion en 1991
Exemples :
- Lithium-métal (Li-métal) - Lithium-polymère (Li-Po) - Lithium-ion (Li-ion)
(*) Liste non-exhaustive / Source : ENS, Battery University (Cadex Electronics)
11 Mécanique, chimique, thermique, électrochimique ou encore électromagnétique
12 « Innovation in batteries and electricity storage, A global analysis based on patent data », IAE, EPO, septembre 2020, page 5
24 Les 3 blocs de base d’une batterie : le pack, le module et la cellule
Les principaux composants d’une batterie
Un pack de batterie (ou batterie13) est un assemblage de modules qui contiennent des cellules.
Ces dernières déterminent une grande partie des performances du pack. La conception et la fabrication des cellules est au cœur de la compétition internationale de la technologie des batteries. Les composants de base d’une cellule de batterie sont l’anode, la cathode et l’électrolyte.
Vue d’ensemble des principaux composants d’une batterie lithium-ion pour véhicule électrique
Unpack de batterie(ou batterie) est un assemblage de modules couplés ensemble pour générer une tension définie. Un système de management électronique (BMS en anglais), des
capteurs et un système de
refroidissement sont intégrés pour
sécuriser et optimiser le
fonctionnement des modules.
Nombre de pack de batterie dans une BMW i3 :
1
Au total, un pack de batterie de BMW i3 comprend 8
modules et 96 cellules.
Principaux composants
• Boîtier
• Système de management électronique
• Capteurs
• Câbles
• Système de refroidissement
Un module de batterie est un assemblage de cellules disposées en série ou en parallèle et protégées par un boîtier contre des chocs extérieurs.
Nombre de modules contenus dans 1 pack de batterie
d’une BMW i3 : 8
Principaux composants
• Boîtier
• Système de refroidissement
• Connecteurs Une cellule de batterie est l’unité de
based’unpack de batterie. Une cellule comprend deux électrodes (l’anodeet la cathode, qui correspondent aux pôles de la batterie), un séparateur (pour éviter tout contact et court circuit entre l'anode et la cathode), plongés dans un électrolyte (qui assure la conduction des ions) et reliés par collecteur de courant (permettent la circulation des électrons).
Nombre de cellules contenues
dans 1 module de batterie d’une BMW i3 :
12
Principaux composants
• Électrodes (anode et cathode)
• Séparateur
• Électrolyte
• Collecteur de courant
• Boîtier Pack
de batterie
Module de batterie
Cellule de batterie
Sources : CEA-Liten, JRC, Samsung SDI
13 Le terme « batterie », retenu vers le 17e siècle pour désigner une solution de stockage de l’énergie électrique, fait directement référence aux batteries militaires (composées de plusieurs pièces d’artillerie) pour désigner une série de cellules électrochimiques connectées entre elles (ou accumulateurs). (Battery University (Cadex Electronics)).
25 Le principe de fonctionnement général d’une batterie : anode, cathode et électrolyte
Le principe de fonctionnement de base d’une cellule de batterie
Une cellule de batterie stocke de l'énergie sous forme chimique et la restitue sous forme électrique. Le phénomène électrochimique au cœur de ce mécanisme est appelé oxydoréduction (ou « redox »).
Lors du phénomène d’oxydoréduction (ou « redox »), deux phénomènes se produisent :
Le déplacement des électrons génère un courant électrique. Ces mouvements se produisent au moment de la charge et de la décharge de la batterie. Un accumulateur est déchargé lorsque l’ensemble des ions lithium s’est déplacé au sein de l’électrolyte pour retrouver une charge électrique neutre et que plus aucun ne peut circuler dans ce sens pour générer un courant électrique.
Schéma de fonctionnement d’une batterie
ANODE
ELECTROLYTE
CATHODE Flux d’électrons Flux d’ions
Flux d’électrons Flux d’ions
Charge Décharge
Source : IAE, EPO, « Innovation in batteries and electricity storage, A global analysis based on patent data », septembre 2020, page 67
